這篇文章將帶著你從設(shè)計(jì)出發(fā)重新發(fā)現(xiàn)ECS。

注意:此篇為泛泛之談，不涉及具體實(shí)現(xiàn)。

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從Abstract說起

從”是”到”能”再到”有”

對(duì)對(duì)象的抽象是整理代碼的要點(diǎn)，繼承是一種比較古老并常見的抽象，其描述了一個(gè)對(duì)象"是"什么，其中包含了對(duì)象擁有的屬性和對(duì)象擁有的方法，在簡單情況下，繼承是一種非常易用易懂的抽象，然而在更復(fù)雜的情況下，繼承引入的的問題漸漸浮現(xiàn)出來，使得它不再那么易用。

以下列舉幾個(gè)例子:

• 深層次繼承樹（要理解一個(gè)類，需要往上翻看非常多的類）。
• 強(qiáng)耦合（修改基類會(huì)影響到整棵子繼承樹）。
• 菱形繼承（祖父的數(shù)據(jù)重復(fù)，方法產(chǎn)生二義性）。
• 繁重的父類（子類的方法被不斷提取到父類，導(dǎo)致父類過度膨脹，某 UE4）。
• 而這些問題又相互影響產(chǎn)生惡性循環(huán)，使得項(xiàng)目的后期開發(fā)和優(yōu)化變得無比困難。

萬惡之源

于是，大家便嘗試簡化模型，并描述了一種叫做接口的抽象，其描述了一個(gè)對(duì)象"能"干什么，其中包含了對(duì)象擁有的方法（不再包含數(shù)據(jù)），接口隱藏了對(duì)象的大部分細(xì)節(jié)，使得對(duì)象變成一個(gè)黑箱，且展平了類結(jié)構(gòu)（不再是樹狀），然而接口（這里指運(yùn)行時(shí)接口而非泛型）作為一種非常高層次的抽象，這種抽象層次似乎有時(shí)會(huì)過高，導(dǎo)致CPU更難以理解代碼，這點(diǎn)在稍后會(huì)討論到。

類似的，在游戲開發(fā)中，面對(duì)大量的對(duì)象種類，大家又描述了一種組件的抽象，如 UE4 中的 Actor Component 模型和 Unity 中的 Entity Component 模型，其描述了一個(gè)對(duì)象"有"什么部分，其中對(duì)象本身不再擁有代碼或數(shù)據(jù)（但其實(shí) Unity 和 UE4 之類的并沒有做到這么純粹，對(duì)象本身依然帶有大量"基礎(chǔ)"功能，這導(dǎo)致了代碼量和內(nèi)存占用的雙重膨脹）。組件的方式帶來了優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性，對(duì)象的狀態(tài)完全由其擁有的組件決定（同樣，一般沒這么純粹），甚至可以動(dòng)態(tài)的改變。并且這讓我們可以排列組合以少量的組件組合出巨量的對(duì)象（當(dāng)然，有效組合往往沒那么多）。有趣的是，從展平對(duì)象結(jié)構(gòu)的角度看起來和組件和接口有著微妙的相似性。不過這種抽象也帶來出了一些歧義性，接下來將討論這一點(diǎn)。

組合

2. “有”和”能”和實(shí)現(xiàn)

在組件模型中，對(duì)象由組件組成，所以其行為也由組件主導(dǎo)，例如一個(gè)對(duì)象擁有[Movement] 和 [Location]，則我們可以認(rèn)為它能夠移動(dòng)，這在整體上是十分和諧自然的，但當(dāng)我們仔細(xì)考量，這個(gè)"能"是由于什么呢，是因?yàn)?[Movement]嗎，是因?yàn)閇Location]嗎，還是同時(shí)因?yàn)?[Movement] 和 [Location]？當(dāng)然是同時(shí)（這里便揭示出了組件和接口的展平對(duì)象方式是正交的），那移動(dòng)的邏輯放到哪呢？答案是放在這個(gè)“切片“上。但在實(shí)際項(xiàng)目中會(huì)看到把邏輯放在 [Movement] 上的做法，這兩種方式都是可取的，后一種擁有較為簡單的實(shí)現(xiàn)并被廣泛采用，而前一種擁有更精準(zhǔn)的語義，更好的抽象（后一種種方式中 [Movement] 去訪問并修改了 [Location] 的數(shù)據(jù)，這破壞了一定的封閉性，且形成了耦合，當(dāng)然這種耦合也有一定的好處，如避免只添加了 [Movement] 這種無意義的情況發(fā)生）。

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從Cache說起

Cache Miss

Cache（Cache Memory）作為儲(chǔ)存器子系統(tǒng)的組成部分，存放著程序經(jīng)常使用的指令和數(shù)據(jù)，是為了緩解訪問慢設(shè)備的延時(shí)而預(yù)讀的 Buffer，例如 CPU L1/L2/L3 Cache 作為 DDR 內(nèi)存 IO 的 Cache，而 DDR 內(nèi)存作為磁盤 IO 的 Cache。當(dāng)計(jì)算需要讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，通常從最快得緩存開始依次向下查找，并遞歸的讀取。預(yù)讀就是用來減少下一次讀取的查找層數(shù)（每一層的延遲有數(shù)量級(jí)的差距）的技術(shù)。相應(yīng)的，預(yù)讀的預(yù)測失敗的時(shí)候?qū)?huì)有非常高的代價(jià)，這種情況被稱為 Cache Miss。在大部分的情況下，在現(xiàn)代 CPU 的頻率帶來的運(yùn)算力下， Cache Miss 比數(shù)學(xué)運(yùn)算更容易成為程序的性能瓶頸，且在代碼中的表現(xiàn)比較隱晦。這使得一味的討論復(fù)雜度O(n)不再適用，因?yàn)楝F(xiàn)在效率=數(shù)據(jù)+代碼，最常見的例子就是在數(shù)據(jù)量小的情況下遍歷數(shù)組會(huì)比 （Hash）Map 快上很多，這也是Java或C#這類語言的效率陷阱.。

從上到下進(jìn)行查找

2. Avoid Cache Miss

避免 Cache Miss 的方案當(dāng)然就是去討好預(yù)讀。而一般預(yù)讀的策略為線性預(yù)讀，即我們應(yīng)該盡量的保證數(shù)據(jù)讀寫的連續(xù)性，從逆向思維出發(fā)，則需了解會(huì)打斷數(shù)據(jù)連續(xù)性的情形。簡單的列舉幾個(gè):遍歷大結(jié)構(gòu)體的數(shù)組（卻只訪問少數(shù)成員），操作對(duì)象引用（OOP），操作數(shù)組的順序不夠連續(xù)（比如實(shí)現(xiàn)得不好的 hash 表），etc。綜上所述，避免Cache Miss的主要考量就是盡量使用數(shù)組，盡量分割屬性（SOA），盡量連續(xù)的進(jìn)行處理。（在 GPU 編程中存在大量實(shí)例）

此時(shí)達(dá)到理論最高效率

3. More than Data

前面提到過 Cache 存放著程序經(jīng)常使用的指令和數(shù)據(jù)，現(xiàn)代 CPU 在數(shù)據(jù) IO 的時(shí)候并不會(huì)完全的掛起，而是會(huì)利用空閑的運(yùn)算力繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的指令，且指令也是一種數(shù)據(jù)，這意味著我們不光要照顧數(shù)據(jù)的連續(xù)性，還需要考慮到指令的連續(xù)性，那么什么情況會(huì)破壞指令的連續(xù)性呢？可能是函數(shù)指針（虛函數(shù)的調(diào)用，回調(diào)等），循環(huán)超長代碼塊等。特別是函數(shù)指針在 IO 期間，CPU 無事可做，于是在需要高性能的情形下，應(yīng)該盡量避免虛函數(shù)。

4. Allocation

對(duì)于數(shù)據(jù)而言，還有一個(gè)重要的問題就是分配內(nèi)存。在應(yīng)用中，不管是分配還是釋放都是十分消耗性能的操作，前者可能產(chǎn)生碎片，而后者，（考慮 GC）可能帶來停頓，（考慮 RC）帶來析構(gòu)血崩，（考慮手動(dòng)）也可能帶來危險(xiǎn)和腦力負(fù)擔(dān)，所以一般對(duì)于高頻分配的部分，會(huì)預(yù)先分配大塊內(nèi)存用來管理（一般稱作池化）。

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從 Thread 說起

Multithread

隨著處理器核心的發(fā)展速度減緩，為了進(jìn)一步提升處理器的性能，堆疊核心成為了新的出路，甚至現(xiàn)在的處理器沒個(gè)四核都不好意思見人，其中堆疊核心的巔峰就是 GPU，上千個(gè)核心帶來了瘋狂的數(shù)字處理能力，被廣泛運(yùn)用于 AI 和圖形領(lǐng)域。而這在游戲之類的高性能軟件中，為了充分利用 CPU 的算力，程序設(shè)計(jì)成多線程運(yùn)行也是非常必要的。

2. Race Condition 和 Data Race

不幸的是多線程很多時(shí)候不是免費(fèi)的性能，并不是所有情況都像異步讀文件那么簡單，在開發(fā)過程中，很多地方都可能會(huì)有 Race 的發(fā)生。同步性問題非常的惡心，因?yàn)橥ǔＦ洳粫?huì)即時(shí)造成崩潰之類的錯(cuò)誤，而是會(huì)積累錯(cuò)誤，等到錯(cuò)誤爆發(fā)，緣由已經(jīng)很難查詢。所以編碼的時(shí)候就必須要小心翼翼，其中 Race Condition 主要需要我們保證整體操作的原子性，一般的解決方案是一把大鎖。Data Race 則更加復(fù)雜，觸發(fā)Data Race的條件可以歸納為：

1,同一個(gè)位置的對(duì)象。

2,被兩個(gè)并行的線程操作。

3,兩個(gè)線程并非都是讀。

4,不是原子操作。

只有當(dāng)這四個(gè)條件同時(shí)成立的時(shí)候，Data Race 才會(huì)發(fā)生，所以為了避免它的發(fā)生，我們需要破壞掉其中的一個(gè)或多個(gè)條件。對(duì)于條件4，可以使用原子操作破壞，然而原子操作的復(fù)雜性頗高，實(shí)際應(yīng)用中常用于實(shí)現(xiàn)底層庫（無鎖隊(duì)列，線程池之類的）。而要破壞條件1、3，則是避免可變共享，完全進(jìn)行拷貝（如erlang）。剩下條件2就是避免硬碰硬，在可能發(fā)生 Data Race 的時(shí)候直接放棄并行。但總得來說最重要的還是，要避免它的發(fā)生，一定要對(duì)這些條件足夠敏感以預(yù)防遺漏，在這里通常封裝就起了反作用，因?yàn)楹谙渲畠?nèi)我們無法知道會(huì)發(fā)生什么。而此時(shí)相對(duì)于 OOP 的黑箱，函數(shù)式的純粹（純原子性）便能體現(xiàn)出它在并行上天生的優(yōu)勢，所以卡神推薦在 C++ 里也盡量使用函數(shù)式的思想來進(jìn)行編碼。

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交匯之地 - 三相之力！

Component 與 System

之前說到組件模式的時(shí)候，我們列舉了兩種方式來存放實(shí)現(xiàn)組件功能的代碼，而使用“管理器”實(shí)現(xiàn)的方式，擁有更精準(zhǔn)的語義和更好的抽象，組件之間被徹底解耦，而這個(gè)“管理器”我們稱之為系統(tǒng)（System）。即系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理特定的組件的組合，而組件則不再負(fù)責(zé)邏輯。接下來分別討論這兩個(gè)部分。

篩選對(duì)應(yīng)的實(shí)體

2. System

對(duì)象耦合于接口，而這里系統(tǒng)則耦合于對(duì)象。這意味著組件不變的情況下，系統(tǒng)的任何修改都不會(huì)對(duì)程序的其余部分造成影響。這給代碼帶來了出色的內(nèi)聚性，讓 culling 和 plugin 都變得更輕松，并且系統(tǒng)本身擁有很好的純度，我們完全可以把系統(tǒng)看做是”輸入上一幀的數(shù)據(jù)，輸出下一幀的數(shù)據(jù)“。也就是系統(tǒng)本身貼合了函數(shù)式的思想，根據(jù)前面的敘述，函數(shù)式在并行上有天生的優(yōu)勢，這在系統(tǒng)上也體現(xiàn)了出來：系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理組件的信息是透明的，于是我們對(duì)系統(tǒng)對(duì)組件的讀寫便一目了然 - 注意結(jié)構(gòu)體之間沒有任何依賴，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的沖突也一目了然。更進(jìn)一步，在通常情況下，系統(tǒng)是一個(gè)白箱，運(yùn)作系統(tǒng)的代碼將不會(huì)經(jīng)過虛函數(shù)，不管是效率還是可測試性都是極好的。甚至對(duì)于系統(tǒng)的執(zhí)行調(diào)度也完全暴露了出來，這在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步之類的框架的時(shí)候能提供很大的便捷性。

3. Component 與 Entity

對(duì)于對(duì)象本身，其實(shí)已經(jīng)不必要承載多少信息了，激進(jìn)一點(diǎn)說，對(duì)象甚至只是一個(gè)唯一的ID，用于和其他對(duì)象區(qū)分而已，這讓我們有機(jī)會(huì)去除那些"基礎(chǔ)"功能的依賴（例如 Transform），使得內(nèi)存和代碼進(jìn)一步壓縮。而組件不包含邏輯，就只有數(shù)據(jù)，作為一個(gè)大的對(duì)象的分割的屬性，通常為小結(jié)構(gòu)體。對(duì)于每一種組件，我們可以使用緊密的數(shù)組來儲(chǔ)存它，而這也意味著我們可以輕松的池化這個(gè)數(shù)組。在系統(tǒng)管理組件的時(shí)候，并不關(guān)心特定 Entity，而是在組件數(shù)據(jù)的切片上批量的連續(xù)的進(jìn)行處理，這在理想情況下能大大的減少 Cache Miss 的情況。作為額外的好處，純數(shù)據(jù)的組件對(duì)序列化，表格化有著極強(qiáng)的適應(yīng)性，畢竟對(duì)象天生就是一個(gè)填著組件的表格，對(duì)網(wǎng)絡(luò)、編輯、存檔等都十分的友好。（這里也可以引入很多數(shù)據(jù)庫相關(guān)的知識(shí)）

4. ECS

至此，我們重新發(fā)現(xiàn)了 ECS，并詳細(xì)闡述了它的好處。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的unity要学ecs吗_ECS的泛泛之谈的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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